Electroweak physics and long-lived particles at LHCb

Cet article présente les premières mesures par LHCb des sections efficaces de production et des asymétries de charge des bosons $W$ et des quarks top, utilisant 5,1–5,4 fb$^{-1}$ de données pour sonder la physique électrofaible et les fonctions de distribution des partons, tout en discutant des recherches récentes de particules à longue durée de vie telles que les particules de type axion et les leptons neutres lourds.

L'essentiel

Imaginez le Grand collisionneur de hadrons (LHC) au CERN comme le microscope à particules le plus puissant au monde. À l'intérieur du détecteur LHCb, les scientifiques agissent comme des enquêteurs tamisant des milliards de collisions cosmiques minuscules pour résoudre deux mystères principaux : Dans quelle mesure notre règlement actuel (le Modèle Standard) résiste-t-il ? et Y a-t-il des personnages cachés (de nouvelles particules) qui se cachent dans l'ombre ?

Ce document, présenté par Felicia Volle de l'Université de Birmingham, rend compte de deux enquêtes majeures que l'équipe LHCb vient de mener à bien.

1. Le contrôle de précision : Peser les géants cosmiques

Considérez le Modèle Standard comme une machine géante et complexe. Pour s'assurer qu'elle fonctionne parfaitement, les scientifiques doivent mesurer le « poids » et le « comportement » de ses plus gros engrenages : le boson Z, le boson W et le quark top.

• Le boson Z (Le poids lourd) :
  L'équipe a mesuré la masse du boson Z (une particule qui porte la force faible) en observant comment il se divise en deux muons (des cousins lourds des électrons). C'est comme essayer de peser un train en marche en mesurant la vitesse et l'angle des deux wagons dans lesquels il se brise. Comme le détecteur LHCb est positionné à l'« avant » de la collision (regardant vers l'avant plutôt que droit au milieu), ils ont dû être incroyablement précis dans leur étalonnage. Ils ont utilisé des « ancres » connues (comme la particule J/ψ) pour s'assurer que leurs règles étaient droites.

  • Le résultat : Ils ont obtenu un poids très précis pour le boson Z. C'est la première fois que cette mesure spécifique est réalisée au LHC, servant de nouveau contrôle indépendant sur la précision de la machine.

• Le boson W (Le farceur) :
  Le boson W est plus difficile à mesurer car il disparaît instantanément dans un « fantôme » (un neutrino) que les détecteurs ne peuvent pas voir. Habituellement, les scientifiques doivent deviner le comportement du fantôme en se basant sur la théorie.

  • La nouvelle astuce : L'équipe a tenté une approche ingénieuse et « indépendante du modèle ». Au lieu de deviner le comportement du fantôme, ils ont d'abord mesuré le taux de production du boson W, puis ont utilisé ces données pour recalculer sa masse. C'est comme peser un magicien en mesurant la quantité d'air qu'il déplace avant de disparaître, plutôt que d'essayer d'attraper le fantôme.
  • Le résultat : Ils ont démontré avec succès que cette nouvelle méthode fonctionne, offrant un moyen frais de vérifier la masse du boson W sans trop dépendre de conjectures théoriques.

• Le quark top et l'« asymétrie de charge » :
  Le quark top est la particule connue la plus lourde. L'équipe LHCb a mesuré la fréquence à laquelle ces particules sont créées dans la direction avant.

  • L'analogie : Imaginez une autoroute bondée où des voitures (particules) sont créées. L'équipe a remarqué que légèrement plus de voitures « positives » roulent dans un sens, et des voitures « négatives » dans l'autre. Ce déséquilibre est appelé asymétrie de charge.
  • Pourquoi c'est important : Parce que le détecteur LHCb observe la « voie » avant de l'autoroute (que les autres détecteurs manquent), ils ont découvert de nouveaux détails sur la répartition du « carburant » à l'intérieur du proton (appelé Fonctions de distribution de partons). Cela aide à affiner la carte de la construction des protons.

2. La chasse au trésor : À la recherche de médiateurs cachés

La deuxième partie du document est une recherche directe de particules du « Secteur Sombre ». Imaginez le monde visible (nous, les étoiles, les atomes) et un « Monde Sombre » qui ne communique pas directement avec nous. Pour qu'ils interagissent, ils ont besoin d'un médiateur — un traducteur capable de parler les deux langues.

• Particules de type axion (Les messagers invisibles) :
  Les scientifiques ont recherché un type spécifique de médiateur appelé une particule de type axion (ALP). Ils ont imaginé ces particules étant créées lors de la collision, puis se transformant instantanément en deux photons (particules de lumière).

  • La recherche : Ils ont analysé les données à la recherche d'un « pic » dans le spectre d'énergie — une pointe soudaine qui indiquerait l'apparition et la disparition d'une nouvelle particule.
  • Le résultat : Aucun pic n'a été trouvé. C'est en fait une bonne nouvelle pour établir des limites ; cela signifie que ces médiateurs spécifiques n'existent pas dans la gamme de masses qu'ils ont examinée, ou qu'ils sont encore plus insaisissables que prévu. Cela établit les limites les plus strictes à ce jour pour ce type spécifique de particule.

• Leptons neutres lourds (Les fantômes à longue durée de vie) :
  Ce sont des cousins lourds des neutrinos qui pourraient expliquer pourquoi les neutrinos sont si légers. La caractéristique clé ici est qu'ils sont « à longue durée de vie ».

  • L'analogie : La plupart des particules créées lors de la collision meurent instantanément, juste à la ligne de départ. Mais ces leptons neutres lourds (HNL) sont comme des marathoniens ; ils peuvent parcourir quelques mètres (voire plusieurs mètres !) avant de se désintégrer enfin.
  • La recherche : L'équipe a cherché ces particules se désintégrant à l'intérieur du détecteur (course courte) et même en dehors de la zone principale de suivi (course longue). Ils ont utilisé un nouveau « cerveau IA » (un réseau de neurones profond) pour repérer les trajectoires spécifiques laissées par ces coureurs.
  • Le résultat : Ils n'ont trouvé aucun HNL, mais ils ont amélioré les limites de recherche d'un facteur dix par rapport aux runs précédents. Ils ont également souligné qu'avec plus de données et un meilleur suivi de ces « coureurs de longue distance », les chances de les trouver à l'avenir sont très prometteuses.

Le bilan

Ce document est un bulletin de notes sur les performances du détecteur LHCb.

1. Précision : Ils ont réussi à peser et à mesurer le comportement des particules lourdes de l'univers (Z, W, Top) dans une nouvelle direction « avant », offrant une perspective unique qui complète les autres détecteurs.
2. Innovation : Ils ont introduit de nouveaux outils, comme le marquage basé sur l'IA pour repérer les particules lourdes et de nouvelles façons de mesurer la masse sans dépendre des anciennes théories.
3. Potentiel de découverte : Bien qu'ils n'aient pas trouvé les médiateurs du « Secteur Sombre » cette fois, ils ont prouvé que leurs nouvelles méthodes (comme chercher des particules qui voyagent loin avant de se désintégrer) sont assez puissantes pour les trouver s'ils sont là.

En bref, l'équipe LHCb a resserré les vis de notre compréhension actuelle de la physique et a affiné les outils nécessaires pour trouver la prochaine grande découverte.

Résumé technique

Résumé technique : Physique électrofaible et particules à longue durée de vie au LHCb

Problématique et périmètre
Ce compte rendu traite de deux voies principales pour tester le Modèle Standard (MS) de la physique des particules : les mesures de précision d'observables du MS pour sonder des effets indirects au-delà du Modèle Standard (BSM), et les recherches directes de particules BSM. La Collaboration LHCb se concentre sur le secteur électrofaible, spécifiquement les propriétés du boson $Z$, du boson $W$ et du quark top, ainsi que sur les recherches de médiateurs entre les secteurs visible et sombre, à savoir les particules de type axion (ALP) et les leptons neutres lourds (HNL). Un thème central consiste à exploiter l'acceptance avant du détecteur LHCb pour accéder à des valeurs faibles et élevées de Bjorken-$x$, fournissant des contraintes complémentaires sur les fonctions de distribution de partons (PDF) par rapport aux mesures de rapidité centrale.

Méthodologie et stratégies d'analyse
L'analyse utilise des données de collisions proton-proton ($pp$) collectées par l'expérience LHCb à des énergies dans le centre de masse de $\sqrt{s} = 5,02$ TeV et $13$ TeV, avec des luminosités intégrées allant de $100$ pb$^{-1}$ à $5,4$ fb$^{-1}$.

• Mesures de précision électrofaible :

  • Masse du boson $Z$ : Reconstituée à partir des désintégrations $Z \to \mu^+\mu^-$ en utilisant l'ensemble de données de 2016 ($1,7$ fb$^{-1}$). L'étalonnage de l'impulsion repose sur les résonances $\Upsilon(1S)$ et $J/\psi$ ainsi que sur la méthode de la pseudomasse au pic du $Z$ pour minimiser les incertitudes systématiques.
  • Masse du boson $W$ : Une approche indépendante du modèle est employée en utilisant un ensemble de données de 2017 ($100$ pb$^{-1}$ à $5,02$ TeV). Cette méthode factorise les effets expérimentaux de la modélisation du signal, en extrayant la masse à partir des sections efficaces différentielles des désintégrations $W \to \mu\nu$ en fonction de l'impulsion transverse du muon ($p_T$) sans supposer de forme de signal en $p_T$.
  • Sections efficaces et asymétries : Les sections efficaces de production différentielles pour les bosons $W$ et les quarks top sont mesurées en utilisant des ensembles de données de $5,1$ fb$^{-1}$ et $5,4$ fb$^{-1}$ respectivement. La séparation du signal utilise des ajustements de modèles sur les variables d'isolement des muons et les probabilités de jets $b$. Un réseau de neurones multiclasses novateur est utilisé pour l'étiquetage $b$ et $c$, améliorant l'efficacité par rapport aux algorithmes basés sur les sommets secondaires. Les asymétries de charge sont extraites en séparant les sections efficaces différentielles par charge du muon.

• Recherches BSM :

  • Particules de type axion (ALP) : Une recherche de désintégrations $ALP \to \gamma\gamma$ est effectuée sur les données de 2018. L'analyse suppose la fusion de gluons comme mode de production dominant et emploie des méthodes multivariées pour supprimer les fonds combinatoires et les désintégrations fusionnées de $\pi^0$.
  • Leptons neutres lourds (HNL) : Les recherches ciblent les désintégrations de mésons $B$ ($B^+_{(c)} \to \mu^+ N$ et $B \to \mu^+ N X$) dans l'ensemble de données 2016-18 ($5,0$ fb$^{-1}$). Le mode de désintégration HNL $\mu^\pm \pi^\mp$ est reconstitué. L'analyse distingue les HNL de type Dirac et de type Majorana sur la base des combinaisons de charges et catégorise les traces en fonction de leur lieu de désintégration (à l'intérieur ou à l'extérieur du détecteur de vertex).

Contributions et résultats clés

1. Première mesure de la masse du boson $Z$ au LHC : La Collaboration rapporte la première mesure dédiée de la masse du boson $Z$ au LHC, donnant $m_Z = 91185,7 \pm 8,3(\text{stat}) \pm 3,9(\text{syst})$ MeV.
2. Masse du boson $W$ indépendante du modèle : Une mesure de principe de $m_W = 80369 \pm 130(\text{exp}) \pm 33(\text{th})$ MeV est présentée. Bien qu'elle ne remplace pas le résultat à $13$ TeV, elle démontre une approche de factorisation novatrice pour réduire la dépendance à la modélisation théorique du signal.
3. Premières sections efficaces avant pour $W$ et le top :
   • Les premières mesures des sections efficaces de production de $W$ et des asymétries de charge des muons dans la région avant sont présentées en utilisant $5,1$ fb$^{-1}$ de données. Elles représentent les déterminations d'asymétrie de muon les plus précises dans la région avant à ce jour.
   • La première mesure des sections efficaces de production de quarks top dans la région avant est rapportée en utilisant $5,4$ fb$^{-1}$ de données. Cela inclut la première extraction de l'asymétrie de charge du top dans cette région cinématique.
   • Ces mesures fournissent des contraintes complémentaires sur les PDF en raison de la couverture avant.
4. Limites des recherches BSM :
   • ALP : Aucun candidat n'a été trouvé. Des limites supérieures sur le produit de la section efficace par la fraction d'embranchement sont fixées au niveau de confiance de 95 %, représentant les meilleures limites sur la constante de désintégration $f_a$ pour des masses d'ALP dans la plage $[4,9, 10]$ GeV. Il s'agit de la première recherche d'un état final entièrement neutre par LHCb.
   • HNL : Aucun candidat n'a été trouvé dans la plage de masse de $1,5$à$5,5$ GeV. Les limites supérieures résultantes sur le couplage $|U_{\mu N}|^2$ améliorent les résultats précédents de LHCb Run 1 d'un ordre de grandeur.

Signification et affirmations
L'article affirme que ces résultats améliorent considérablement la capacité du programme LHCb à sonder le Modèle Standard et à rechercher une nouvelle physique. La couverture avant du détecteur est mise en avant comme un atout unique pour contraindre les PDF et mesurer les asymétries de charge avec une grande précision.

Sur le plan méthodologique, ce travail introduit et valide de nouveaux outils et stratégies :

• L'utilisation de réseaux de neurones profonds pour l'étiquetage $b$ et $c$ s'avère améliorer l'efficacité de $11$à$53%$, avec une applicabilité large à d'autres analyses, y compris les recherches de Higgs.
• L'extraction indépendante du modèle de la masse du boson $W$ offre une voie pour découpler les mesures expérimentales des incertitudes de modélisation théorique.
• De nouvelles stratégies de suivi, telles que la reconstruction de « T-tracks » pour des particules se désintégrant après avoir parcouru $2,5-8$ m, sont identifiées comme des voies prometteuses pour améliorer la sensibilité aux signatures de longue durée de vie.

Les auteurs concluent que la combinaison d'outils d'analyse améliorés, de stratégies novatrices (telles que l'utilisation d'états finaux entièrement neutres) et de la puissance statistique de l'ensemble de données Run 3 du détecteur amélioré positionne l'expérience LHCb pour faire progresser considérablement le potentiel de découverte de la physique BSM.